Астрофизика начинающим: как понять Вселенную - Грегори Мон

Раз в каждые несколько лет экспериментаторы предлагают все новые и новые, все более чувствительные опыты по проверке теории Эйнштейна. И каждый раз эта теория подтверждается. Эйнштейн был далеко не самым умным ребенком в классе. Но он оказался одним из самых умных людей в истории человечества.

И все-таки даже он мог ошибаться.

При жизни Эйнштейна люди отчаянно стремились доказать, что он ошибается. Его работы поставили под сомнение правоту идей Ньютона, а многим в научном сообществе это не очень нравилось. Группа таких ученых в 1931 году опубликовала книгу под заголовком «Сто авторов против Эйнштейна». Когда он узнал об этом, то сказал, что, будь он действительно неправ, вполне достаточно было бы и одного автора, чтобы доказать это.

Общая теория относительности резко отличалась от всех предшествовавших ей идей о природе тяготения. Согласно общей теории относительности массивные объекты деформируют вокруг себя пространство, вызывая что-то вроде морщин на ткани пространства-времени.

Объект маленькой массы вроде яблока оказывает на пространство очень малое воздействие. Большое тело, такое как планета или звезда, искажает пространство так сильно, что прямые линии искривляются. Один из моих учителей, выдающийся американский физик-теоретик XX столетия Джон Арчибальд Уилер, сказал: «Материя указывает пространству, как ему изгибаться; пространство указывает материи, как ей двигаться».

Новая версия тяготения, предложенная Эйнштейном, не просто воздействует на материю. Из-за того что гравитация изгибает само пространство, даже свету приходится изгибаться под ее влиянием, и в окрестности массивных объектов он распространяется по искривленным траекториям, а не по прямой. Модель Эйнштейна описывает два вида тяготения. Один – знакомое нам притяжение между Землей и подброшенным в воздух мячом или между Солнцем и планетами. Но общая теория относительности предсказывает и другой эффект – таинственное антигравитационное давление.

Сегодня мы знаем, что наша Вселенная расширяется. Галактики разлетаются все дальше и дальше друг от друга. Раньше сама мысль о том, что Вселенная может вообще что-то «делать», кроме того, что она просто существует, лежала за пределами человеческого воображения. Даже сам Эйнштейн считал, что Вселенная должна быть устойчивой – ни расширяющейся, ни сжимающейся. Но из его модели Вселенной получалось, что она все же либо расширяется, либо сжимается. Ему казалось, что это неправильно, и поэтому он добавил в свои математические уравнения член, который назвал космологической постоянной.

Единственной ролью этой постоянной в эйнштейновской модели было противодействовать гравитации. Если тяготение пыталось стянуть всю Вселенную в одну гигантскую массу, космологическая постоянная расталкивала ее в разные стороны.

Но во всем этом заключалась одна трудность.

Никто никогда не наблюдал действия такой силы в природе.

Эйнштейн в некотором смысле сжульничал.

Спустя тринадцать лет после того, как Эйнштейн предложил свою теорию, американский астрофизик Эдвин Хаббл обнаружил, что Вселенная неустойчива. Хаббл изучал далекие галактики. Согласно его работам, эти галактики не оставались на одном месте – все они улетали прочь от нас! И больше того: Хаббл убедительно доказал, что чем дальше от нас находится галактика, тем быстрее она удаляется от Млечного Пути.

Другими словами, Вселенная расширяется.

Когда Эйнштейн узнал об этих работах, он был в затруднении. Ему следовало это предсказать самому. Он полностью отказался от своей космологической постоянной, назвав ее «самой большой ошибкой в своей жизни». Но на этом история не закончилась. На протяжении последовавших десятилетий теоретики то и дело пробовали воскресить космологическую постоянную. Они пытались представить себе, как должна выглядеть Вселенная, в которой эта таинственная сила антигравитации все же действует.

И в 1998 году эйнштейновская «величайшая ошибка» в последний раз восстала из небытия.

В начале этого года две конкурирующие группы астрофизиков сделали громкие заявления. Обе группы наблюдали взрывы звезд, называемые вспышками сверхновых. Астрономы знали, как эти взрывы должны происходить, насколько яркими они должны быть и на каком расстоянии от нас эти взрывающиеся звезды должны находиться.

Но сверхновые повели себя иначе.

Они оказались менее яркими, чем ожидалось.

Это можно было объяснить двумя разными способами. Либо эти конкретные сверхновые отличались от всех остальных взрывающихся звезд, которые астрофизики исследовали в прошлом, либо они находились гораздо дальше, чем ученые предсказывали. И если они действительно дальше, чем мы ожидали, значит, что-то не так в нашей модели Вселенной.

Работы Хаббла показали, что Вселенная расширяется, но из наблюдений этих сверхновых получалось, что она расширяется быстрее, чем мы рассчитывали. И не нашлось другого способа объяснить это избыточное расширение, кроме возврата к «ошибке» Эйнштейна – его космологической постоянной. Когда астрофизики сдули с нее пыль и снова вставили в уравнения эйнштейновской общей теории относительности, их наблюдения Вселенной пришли в соответствие с теоретическими предсказаниями.

И непонятные сверхновые оказались в точности там, где им и следовало быть.

Так что Эйнштейн в конечном счете оказался прав.

Он был прав, даже когда думал, что ошибался.

Эта взорвавшаяся звезда, Сверхновая 1987A – настоящая знаменитость в астрофизических кругах. Такие звезды помогли нам понять, что Вселенная расширяется.